本发明专利技术公开了一种基于线性拟合算法获得前交叉韧带中轴线的方法。首先建立STL格式的完整双膝关节三维实体数字化模型，导入有限元分析软件计算获得ACL的截面及该截面中心坐标，拟合出前交叉韧带的中心曲线并求解其方程，再求得股骨与胫骨附着点中心坐标值，再通过三角函数的方法，应用股骨和胫骨附着面几何中心坐标数值计算出平面角度的具体的值。本发明专利技术实现了ACL在股骨与胫骨上隧道的精确定位，该方法可以借助虚拟环境中的信息进行术前规划、手术模拟演练、手术教学、指导手术实际操作和术后康复等工作。有助于提高手术精度，重建接近正常的ACL功能，是提高ACL修复重建疗效的一条卓有成效的新途径。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于计算机辅助医学
，涉及前交叉韧带重建时的术前规划虚拟技术，具体涉及一种在伸膝状态下通过线性拟合计算获得前交叉韧带中轴线的方法。
技术介绍
前交叉韧带(Anterior cruciate ligament, ACL)损伤是临床较为常见而又严重影响膝关节稳定性的损伤，其发病率较高，在竞技性体育运动、交通事故伤和军事训练中都占有相当高比重。在我国，随着全民健身运动的广泛开展及交通事故的增加，前交叉韧带损伤日益增加，已成为临床上常见多发病之一。目前美国前交叉韧带损伤发病率在一般人群为每年38 / 10万人，在足球和滑雪运动分别为每年60 / 10万人和每年70 / 10万人。我国尚无整体人群发病率的报道，但有作者对我国现役集训运动员进行的调查发现，前交叉韧带的总体发病率O. 47%，我国专业运动员前交叉韧带损伤者中女性损伤发生率为 O. 71%，男性为O. 29%，女性为男性的2. 37倍。前交叉韧带损伤难以自愈，治疗不当会导致膝关节不稳，引起膝关节继发半月板、软骨损伤和关节过早退变，严重影响关节功能及患者的生活和工作质量，必须及时修复。故前交叉韧带重建手术为骨科及运动医学最常见的手术之一。尽管关节镜下前交叉韧带重建手术有很高的成功率，然而文献报道中仍有10% 15%的失败率和高达10% 20%的翻修率。美国海军医学中心Khafayan等研究表明，有10% 40%前交叉韧带重建隧道位置不正确，而前交叉韧带骨隧道位置的准确性是手术的关键，它将直接影响术后效果，是导致膝关节失稳，膝关节活动范围改变，膝关节滑膜炎，创伤性膝关节炎，交叉韧带撞击的重要因素。美国西北大学Kodali等认为高达40%前交叉韧带再重建是由骨隧道位置错误导致的。因此，如何对前交叉韧带骨隧道位置进行精确定位是前交叉韧带重建的研究热点和难题之O
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，通过建立膝关节前交叉韧带的三维数字模型并借助计算机辅助技术，对伸膝状态下的前交叉韧带的中轴线进行运算，线性拟合计算前交叉韧带的中轴线，通过该中轴线来获得前交叉韧带重建骨隧道的精确定位，进一步指导关节镜下前交叉韧带重建术，为前交叉韧带骨隧道的精确定位，提高前交叉韧带重建的成功率奠定基础。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。，包括以下步骤(I)软件准备医学有限元仿真软件Mimics，逆向工程软件和有限元分析软件ANSYS ；(2)三维数字模型的建立将按照DICOM标准存储的膝关节MRI断层影像数据在电脑上通过软件输入口导入医学有限元仿真软件Mimics 10. 01，经定位图片、组织图片和内差值处理后，自动生成合适的阈值；软件自动生成各个层面的结构的轮廓，在每层图像用手工进行边缘性分割、选择性编辑、补洞处理，去除伪影和冗繁数据；通过区域增长生成胫骨、股骨、髌骨、腓骨、前交叉韧带、后交叉韧带及半月板各自的几何面膜文件；最后建立包括股骨远端、胫骨近端、前交叉韧带、半月板、髌骨及腓骨在内的完整双膝关节三维实体数字化模型，以STL格式导出保存；(3)前交叉韧带三维数字模型的导入将STL格式的前交叉韧带模型部分导入ANSYS13. O有限元分析软件工作界面里，并单独显示前交叉韧带；(4)前交叉韧带截面的获取及其中心坐标数值 在ANSYS13. O有限元分析软件里获取前交叉韧带截面及该截面中心坐标，并平行于前交叉韧带面分别向上或向下对前交叉韧带模型进行截面，并以同样的方法获取其中心及其坐标数值；(5)前交叉韧带截面中心曲线的拟合及其曲线公式的求解将所获取的前交叉韧带截面中心的坐标数值，导入ANASYS13. O软件后拟合出前交叉韧带的中心曲线并求解其方程，方程为Z=O. 2412+0. 7879X-6. 5738y+ 2. 9976x2+ I. 8441y2+2. 5504xy(6)股骨与胫骨附着点中心坐标值的求得在ANSYS13. O有限元分析软件里，通过高等线性代数的方法求得前交叉韧带中轴线与股骨交点的空间坐标值；同理，得出前交叉韧带中轴线与胫骨交点的空间坐标值；(7)前交叉韧带中心轴线在坐标系各平面角度的获得再通过三角函数的方法，应用股骨和胫骨附着面几何中心坐标数值计算出平面角度的具体的值。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益结果本专利技术实现了前交叉韧带在股骨与胫骨上隧道的精确定位，该方法可以让初级的外科医生借助虚拟环境中的信息进行术前规划、手术模拟演练、手术教学、指导手术实际操作和术后康复等工作。有助于提高手术精度，重建接近正常的ACL功能，是提高ACL修复重建疗效的一条卓有成效的新途径。它在ACL重建中的辅助应用可完善术前评估和规划，大大提高隧道位置的准确性，减少手术并发症的发生率，手术时间以及外科医生培训时间。附图说明图I获取的膝关节及前交叉韧带MRI 二维图像；图2标本MRI导入MimicslO. 01时的示意图；图3标本MRI导入MimicslO. 01后的示意图；图4在MimicslO. 01里手动分割三维重建前的示意图；图5标本三维重建数字化模型示意图；图6三维重建标本双膝关节数字化模型正位；图7三维重建标本双膝关节数字化模型后位；图8前交叉韧带角度失状位；图9前交叉韧带角度冠状位；图10前交叉韧带角度水平位。具体实施例方式下面结合附图和实施范例对本专利技术作进一步的详细说明，但它们并不是对本专利技术的限定。实施例II.实验对象取20例新鲜成人尸体(尸体死亡年龄25 50岁)的正常双膝关节标本作为研究对象，实验前排除外伤骨折、肿瘤、退变、畸形等。2.软件和计算机运行环境 医学有限元仿真软件Mimics 10. 01 (Materialise公司，比利时),逆向工程软件(韩国INUS公司)，有限元分析软件ANSYS13. O (美国ANSYS公司)。3.计算机配置Intel (R) Core (TM) i5CPU M 430 i 2. 27GHz 2.27GHz,图形显卡 ATI MobilityRadeon HD 5650 GRAPHICS IG，硬盘 320G，内存 8G。操作系统 Windows 7 ,64 位。4.三维数字模型的建立将按照DICOM标准存储的膝关节核磁共振扫描MRI断层影像数据在电脑(操作系统Windows 7)上通过软件输入口导入医学有限元仿真软件Mimics 10. 01(Materialise公司，比利时)，经定位图片、组织图片、内差值处理，设定合适的阈值(226 2782Hounsfield单位)。软件自动生成各个层面的结构的轮廓。在每层图像用手工进行边缘性分割、选择性编辑、补洞处理，去除伪影和冗繁数据。通过区域增长(region growing)生成胫骨、股骨、髌骨、腓骨、前交叉韧带、后交叉韧带及半月板各自的几何面膜(Mask)文件。最后建立包括股骨远端、胫骨近端、前交叉韧带、半月板、髌骨及腓骨等在内的完整双膝关节三维实体数字化模型(见图I 图7)，并以STL格式导出保存。5.将前交叉韧带重建模型以STL格式导入ANSYS13. O有限元分析软件工作界面里并单独显示前交叉韧带。6.前交叉韧带截面的获取及其中心坐标数值在ANSYS13. O有限元分析软件里获取截面及该截面中心坐标为XC= 0. 23815E本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于线性拟合算法获得前交叉韧带中轴线的方法，包括以下步骤：（1）软件准备：医学有限元仿真软件Mimics，逆向工程软件和有限元分析软件ANSYS；（2）三维数字模型的建立将按照DICOM标准存储的膝关节MRI断层影像数据在电脑上通过软件输入口导入医学有限元仿真软件Mimics？10.01，经定位图片、组织图片和内差值处理后，自动生成合适的阈值；软件自动生成各个层面的结构的轮廓，在每层图像用手工进行边缘性分割、选择性编辑、补洞处理，去除伪影和冗繁数据；通过区域增长生成胫骨、股骨、髌骨、腓骨、前交叉韧带、后交叉韧带及半月板各自的几何面膜文件；最后建立包括股骨远端、胫骨近端、前交叉韧带、半月板、髌骨及腓骨在内的完整双膝关节三维实体数字化模型，以STL格式导出保存；（3）前交叉韧带三维数字模型的导入：将STL格式的前交叉韧带模型部分导入ANSYS13.0有限元分析软件工作界面里，并单独显示前交叉韧带；（4）前交叉韧带截面的获取及其中心坐标数值在ANSYS13.0有限元分析软件里获取前交叉韧带截面及该截面中心坐标，并平行于前交叉韧带面分别向上或向下对前交叉韧带模型进行截面，并以同样的方法获取其中心及其坐标数值；？（5）前交叉韧带截面中心曲线的拟合及其曲线公式的求解将所获取的前交叉韧带截面中心的坐标数值，导入ANASYS13.0软件后拟合出前交叉韧带的中心曲线并求解其方程，方程为：Z=0.2412+0.7879x？6.5738y+？2.9976x2+？1.8441y2+2.5504xy？？？？？（6）股骨与胫骨附着点中心坐标值的求得在ANSYS13.0有限元分析软件里，通过高等线性代数的方法求得前交叉韧带中轴线与股骨交点的空间坐标值；同理，得出前交叉韧带中轴线与胫骨交点的空间坐标值；（7）前交叉韧带中心轴线在坐标系各平面角度的获得再通过三角函数的方法，应用股骨和胫骨附着面几何中心坐标数值计算出平面角度的具体的值。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李彦林，韩睿，王国梁，陈文栋，王福科，何川，
申请(专利权)人：昆明医科大学第一附属医院，
类型：发明
国别省市：
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